本发明涉及一种用于检测并定位20khz方波信号的系统及方法，属于分析与测量控制技术领域。
背景技术：
目前，在很多场合例如高等学校的课程实验、电子设计比赛中，20khz方波信号检测是一个很重要的内容。现有的技术以及检测系统设计，在多种电磁环境干扰下，因为硬件和软件设计上滤波考虑不周，信号在采集中出现失真，干扰信号的接收以及信号强度的测量，影响到定位的效果；在定位之后没有显示功能能够让使用者直观使用定位结果。例如，公开号为cn106602927a的专利申请公开了一种谐振方波同步钳位压电直线马达，包括驱动振子、钳位振子、光轴、夹紧机构和基座。所述驱动振子和钳位振子由金属悬臂梁和压电陶瓷构成，靠驱动振子和钳位振子之间的协调动作驱动光轴产生单方向直线运动。根据方波的傅里叶变换，方波可由不同频率、不同幅值的谐波叠加得到。所述金属悬臂梁采用一系列增减材料的方法来调整结构，进而达到将前n阶振型固有频率的比例调整为1:3:5…的目的。所述驱动振子和钳位振子由合成的方波信号频率恰为压电振子前n阶固有频率驱动。例如，公开号为cn106597242a的专利申请公开了高压线路绝缘检测装置。包括：在高压线路未上高压前，方波发生器产生周期为2t的方波信号，方波信号输入到rc震荡电路，在方波的高电平持续期间使电容c充电，在方波的低电平持续期间使电容c放电；电压采集模块在方波高电平持续期间的第一设定时刻采集电阻r与电容c之间的k点的电压vk_high，并在方波低电平持续期间的第二设定时刻采集k点的电压vk_low，将采集到的vk_high、vk_low发送给处理器模块；处理器模块计算vk_high和vk_low的差值，根据二者的差值计算待检测绝缘点与接地平台之间的绝缘电阻值，若绝缘电阻值小于预设安全阈值，则向警报模块上报高压绝缘故障。例如，公开号为cn106603014a的一种低功耗低成本高线性的电压模式无源混频器，设置在射频接收机的信号通路上，作为射频接收机中的第二混频器，通过电路连接设置在第一混频器与低通滤波器之间，包含两个结构相同的混频电路，由第一混频器输出的射频信号分别与本振信号在各个混频电路中进行混频，输出中频信号，并经低通滤波器滤波；每个混频电路的本振信号均采用25％占空比的i/q正交方波信号，由两个混频电路实现同相正交i/q变频。
综上所述，目前没有一个专门的用于检测并定位20khz方波信号的系统及方法能够准确、快速、直观的对20khz方波信号进行检测。现阶段中国高校使用的单片机实验器材，没有完整的20khz检测设备。在进行20khz信号检测实验之前，需要手工制作信号检测部件，因检测部件的电路较为复杂，手工制作检测部件的效果十分不好，对之后的定位效果影响严重，而且浪费大量时间；在检测之后的定位、显示，需要借助单片机试验箱，其成本较高。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种能够克服上述技术问题的用于检测并定位20khz方波信号的系统及方法，本发明能够直观、快速、准确地检测20khz方波信号的位置从而有效地提高了寻迹工作的效率并能广泛地应用于多种技术领域。
本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统包括：6个相同的依次连接的l-c振荡电路采集器电路、硬件滤波和放大电路、整流电路、单片机组成的电路。
所述6个l-c振荡电路采集器电路以两两对称的方式进行排列，所述6个l-c振荡电路采集器电路所采集到的方波信号首先经过硬件滤波、放大、整流的处理过程后传输到单片机中，由单片机进行滤波处理之后再计算方波信号源的位置和角度并将结果传输到单片机的lcd液晶屏中显示出来。所述6个相同的l-c振荡电路采集器电路所采集到的方波信号首先经过硬件滤波、放大、整流的处理过程后传输到单片机中。
所述6个相同的l-c振荡电路采集器电路、硬件滤波和放大电路、整流电路构成的电路的6个输出端分别连接至单片机的引脚ptb2、引脚ptb3、引脚ptb4、引脚ptb5、引脚ptb6、引脚ptb7。
所述l-c振荡电路采集器电路包括：电容c1、电感l1、gnd接地电路。
在所述l-c振荡电路采集器电路中，c1为电容，大小为6.8nf；l1为电感，大小为10mh；gnd为接地电路接到0v电源接地处。
根据l-c电路原理：
上式中，f为感应频率，π为圆周率，l为电感大小，c为电容大小。
因电子元器件有大约5％的误差，因此，所述l-c振荡电路采集器电路采集方波信号的频率范围是：1.8381*104hz到2.0316*104hz，即18.381khz到20.316khz。
所述硬件滤波和放大电路包括：tl082双运算放大器芯片、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电阻r1、电阻r2、电阻r4、电位器r3。
在所述硬件滤波和放大电路中，tl082为双运算放大器芯片；c2、c3、c4、c5为电容，阻值均为100nf；r1、r2、r4为电阻，阻值分别为2k、10k、10k欧姆；r3为电位器，最大阻值为100k欧姆；+5接入+5v电源；-5接入-5v电源；gnd接入0v电源接地；2个标记1相互连接、2个标记6相互连接。其中，c4、c5为芯片供电滤波电容，消除tl082双运算放大器芯片产生的噪音；c2、c3为信号滤波电容；通过双运算放大器芯片及外围电路，对方波信号进行滤波和放大，电位器r3能够调节对方波信号的放大倍数，以便将方波信号输入单片机进行计算，即计算方波信号源的位置和角度。
所述整流电路包括：电容c6、电容c7、电阻r5、二极管d1、二极管d2。
在所述整流电路中，c6、c7为电容，阻值均为100nf；r5为电阻，阻值为51k欧姆；gnd接入0v电源接地；所述整流电路的二极管d1、二极管d2连接所述硬件滤波和放大电路的输出端；所述整流电路的输出端连接所述单片机。
本发明的用于检测并定位20khz方波信号的方法包括以下步骤：
1、将本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统放在20khz方波信号周围，并给本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统供电。
2、通过本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统的6个不同位置的l-c振荡电路采集器电路将采集到的20khz方波信号输入硬件滤波电路和放大电路、整流电路中进行滤波、放大、整流处理。
3、将步骤2处理过的结果传入单片机中，通过单片机滤波优化数据，并计算20khz方波信号的位置以及信号的角度即信号辐射的方向。
4、将步骤3计算结果通过单片机lcd屏幕输出。能够直观、快速、准确的检测20khz方波信号的位置，提高了寻迹工作的效率。
所述步骤1还包括：本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统的供电电源采用通用的+5v/2a供电电源，本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统中采用+5v到-5v的电压转换电路、+5v到+3.3v的电压转换电路、为系统内部提供的±5v电源、+3.3v电源。
所述步骤2中，本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统的6个l-c振荡电路采集器电路采用两两对称分布的布置形式。
通过本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统的l-c震荡电路采集器电路采集20khz方波信号经过硬件滤波和放大、硬件整流处理后，为0-3.3v的直流电压信号，输入至单片机的引脚，所述0v-3.3v直流电压信号的大小与l-c震荡电路采集器电路的感应线圈和20khz方波信号源之间的距离成反比关系，即l-c震荡电路采集器电路的感应线圈距离20khz方波信号源之间越远，直流电压信号越小，反之，直流电压信号越大。但最大不超过设定值3.3v。；所述0v-3.3v直流电压信号大小与l-c震荡电路采集器电路的感应线圈放置方向和20khz信号源传播方向所成的夹角成反比，即l-c震荡电路采集器电路的感应线圈放置方向和20khz信号源传播方向垂直时，直流电压信号接近于0；平行时，直流电压信号接近于设定值3.3v。
所述的±5v电源提供给本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统中的起到滤波、放大功能的运算放大器芯片使用；所述的+3.3v电源提供给本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统中所述的单片机使用。
所述步骤3中，所述单片机对6个l-c振荡电路采集器电路采集到的20khz方波信号进行硬件滤波和放大、硬件整流处理后的数据组进行数据滤波，步骤为：在传回的每组10个数据中，去掉2个最大的数值及去掉2个最小的数值后，取数组的平均值。
对所述单片机采集到的数据与传感器的高度、角度的对应关系表输入到单片机中。
所述单片机对6个l-c振荡电路采集器电路采集到的20khz方波信号进行硬件滤波和放大、硬件整流处理后的6组数据值进行对比分析，所述单片机应用6个l-c振荡电路采集器到20khz方波信号源距离的几何关系计算出20khz方波信号源的位置；所述单片机使用6个l-c振荡电路采集器到20khz方波信号源距离的几何关系计算出20khz方波信号源的角度。
所述步骤4中，将单片机得到的结果显示到单片机的lcd显示屏中。显示内容包括：本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统与20khz方波信号源的直观的位置关系、本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统与20khz方波信号源的直观的角度关系、l-c振荡电路采集器电路经过硬件滤波和放大、硬件整流处理后的实时的数值。
本发明的优点是能够直观、快速、准确的检测20khz方波信号的位置，大大提高了寻迹工作的效率，并能够广泛地应用在多个领域。本发明能够提供一个完整的、有效的检测系统并能够有效地节省实验时间且成本低。
附图说明
图1是本发明所述的一种用于检测并定位20khz方波信号的方法的流程示意图；
图2是本发明所述的一种用于检测并定位20khz方波信号的系统的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。如图1所示是本发明用于检测并定位20khz方波信号的方法的流程示意图。图1中，6个l-c振荡电路采集器电路以两两对称的方式进行排列，所述6个l-c振荡电路采集器电路所采集到的方波信号首先经过硬件滤波、放大、整流的处理过程后传输到单片机中，由单片机进行滤波处理之后再计算方波信号源的位置和角度并将结果传输到单片机的lcd液晶屏中显示出来。所述6个相同的l-c振荡电路采集器电路所采集到的方波信号首先经过硬件滤波、放大、整流的处理过程后传输到单片机中。
所述6个相同的l-c振荡电路采集器电路、硬件滤波和放大电路、整流电路构成的电路的6个输出端分别连接至单片机的引脚ptb2、引脚ptb3、引脚ptb4、引脚ptb5、引脚ptb6、引脚ptb7。
本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统包括：6个相同的依次连接的l-c振荡电路采集器电路、硬件滤波和放大电路、整流电路、单片机。
如图2所示,在所述l-c振荡电路采集器电路中，c1为电容，大小为6.8nf；l1为电感，大小为10mh；gnd为接地电路，接到0v电源接地处。
根据l-c电路原理：
上式中，f为感应频率，π为圆周率，l为电感大小，c为电容大小。
因电子元器件有大约5％的误差，因此，所述l-c振荡电路采集器电路采集方波信号的频率范围是：1.8381*104hz到2.0316*104hz，即18.381khz到20.316khz。
如图2所示,在所述硬件滤波和放大电路中，tl082为双运算放大器芯片；c2、c3、c4、c5为电容，阻值均为100nf；r1、r2、r4为电阻，阻值分别为2k、10k、10k欧姆；r3为电位器，最大阻值为100k欧姆；+5接入+5v电源；-5接入-5v电源；gnd接入0v电源接地；2个标记1相互连接、2个标记6相互连接。其中，c4、c5为芯片供电滤波电容，消除双运算放大器芯片产生的噪音；c2、c3为信号滤波电容；通过双运算放大器芯片及外围电路，对方波信号进行滤波和放大，电位器r3能够调节对方波信号的放大倍数，以便将方波信号输入单片机进行计算，即计算方波信号源的位置和角度。
如图2所示,在所述整流电路中，c6、c7为电容，阻值均为100nf；r5为电阻，阻值为51k欧姆；gnd接入0v电源接地；所述整流电路的二极管d1、d2连接所述硬件滤波和放大电路的输出端；所述整流电路的输出端连接所述单片机。
如图2所示,本发明的实施方式以k60单片机为例，k60单片机电路参考k60系列单片机使用手册，oled显示屏的rst引脚、d/c引脚、clk引脚、mosi引脚分别接入k60单片机的pta1、pta2、pta3、pta4引脚；所述6个相同的l-c振荡电路采集器电路所采集到的方波信号经过硬件放大、滤波、整流后的输出分别接入k60单片机的引脚ptb2、引脚ptb3、引脚ptb4、引脚ptb5、引脚ptb6、引脚ptb7。即所述6个相同的l-c振荡电路采集器电路、硬件滤波和放大电路、整流电路构成的电路的6个输出端分别连接至单片机的引脚ptb2、引脚ptb3、引脚ptb4、引脚ptb5、引脚ptb6、引脚ptb7。图2只显示出一个l-c振荡电路采集器电路、硬件滤波和放大电路、整流电路构成的电路的一个输出端连接至单片机的引脚ptb2。
本发明的用于检测并定位20khz方波信号的方法包括以下步骤：
1、将本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统放在20khz方波信号周围，并给本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统供电。
2、通过本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统的6个不同位置的l-c振荡电路采集器电路将采集到的20khz方波信号输入硬件滤波电路和放大电路、整流电路中进行滤波、放大、整流处理。
3、将步骤2处理过的结果传入单片机中，通过单片机滤波优化数据，并计算20khz方波信号的位置以及信号的角度即信号辐射的方向。
4、将步骤3计算结果通过单片机lcd屏幕输出。能够直观、快速、准确的检测20khz方波信号的位置，提高了寻迹工作的效率。
所述步骤1还包括：本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统的供电电源采用通用的+5v/2a供电电源，本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统中采用+5v到-5v的电压转换电路、+5v到+3.3v的电压转换电路、为系统内部提供的±5v电源、+3.3v电源。
所述步骤2中，本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统的6个l-c振荡电路采集器电路采用两两对称分布的布置形式。
通过本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统的l-c震荡电路采集器电路采集20khz方波信号经过硬件滤波和放大、硬件整流处理后，为0-3.3v的直流电压信号，输入至单片机的引脚，所述0v-3.3v直流电压信号的大小与l-c震荡电路采集器电路的感应线圈和20khz方波信号源之间的距离成反比关系，即l-c震荡电路采集器电路的感应线圈距离20khz方波信号源之间越远，直流电压信号越小，反之，直流电压信号越大。但最大不超过设定值3.3v。；所述0v-3.3v直流电压信号大小与l-c震荡电路采集器电路的感应线圈放置方向和20khz信号源传播方向所成的夹角成反比，即l-c震荡电路采集器电路的感应线圈放置方向和20khz信号源传播方向垂直时，直流电压信号接近于0；平行时，直流电压信号接近于设定值3.3v。
所述的±5v电源提供给本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统中的起到滤波、放大功能的运算放大器芯片使用；所述的+3.3v电源提供给本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统中所述的单片机使用。
所述步骤3中，所述单片机对6个l-c振荡电路采集器电路采集到的20khz方波信号进行硬件滤波和放大、硬件整流处理后的数据组进行数据滤波，步骤为：在传回的每组10个数据中，去掉2个最大的数值及去掉2个最小的数值后，取数组的平均值。
对所述单片机采集到的数据与传感器的高度、角度的对应关系表输入到单片机中。
所述单片机对6个l-c振荡电路采集器电路采集到的20khz方波信号进行硬件滤波和放大、硬件整流处理后的6组数据值进行对比分析，所述单片机应用6个l-c振荡电路采集器到20khz方波信号源距离的几何关系计算出20khz方波信号源的位置；所述单片机使用6个l-c振荡电路采集器到20khz方波信号源距离的几何关系计算出20khz方波信号源的角度。
所述步骤4中，将单片机得到的结果显示到单片机的lcd显示屏中。显示内容包括：本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统与20khz方波信号源的直观的位置关系、本发明的用于检测并定位20khz方波信号的系统与20khz方波信号源的直观的角度关系、l-c振荡电路采集器电路经过硬件滤波和放大、硬件整流处理后的实时的数值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。